Характеристики, маркировка и принцип работы стабилитрона

Полупроводниковый стабилитрон, или диод Зенера, представляет собой диод особого типа. При прямом включении обычный диод и стабилитрон ведут себя аналогично. Разница между ними проявляется при обратном включении. Обычный диод при подаче обратного напряжения и превышении его номинального значения просто выходит из строя. А  для стабилитрона подключение обратного напряжения и его рост до установленной точки является штатным режимом. При достижении определенной точки обратного напряжения в стабилитроне возникает обратимый пробой. Через устройство начинает течь ток. До наступления пробоя стабилитрон находится в нерабочем состоянии и через него протекает только малый ток утечки.  На электросхемах стабилитрон обозначается как стрелка-указатель, на конце которой имеет черточка, обозначающая запирание. Стрелка указывает направление тока. Буквенное обозначение на схемах – VD.

Устройство

Полупроводниковые стабилитроны пришли на смену морально устаревшим стабилитронам тлеющего разряда – ионным газоразрядным электровакуумным приборам. Для изготовления стабилитронов используются кремниевые или германиевые кристаллы (таблетки) с проводимостью n-типа, в которые добавляют примеси сплавным или диффузно-сплавным способом. Для получения электронно-дырочного p-n перехода используются акцепторные примеси, в основном алюминий. Кристаллы заключают в корпуса из полимерных материалов, металла или стекла.

Кремниевые сплавные стабилитроны Д815 (А-И) выпускаются в металлическом герметичном корпусе, который является положительным электродом. Такие элементы имеют широкий интервал рабочих температур – от -60°C до +100°C. Кремниевые сплавные двуханодные стабилизирующие диоды КС175А, КС182А, КС191А, КС210Б, КС213Б выпускают в пластмассовом корпусе. Кремниевые сплавные термокомпенсированные детали КС211 (Б-Д), используемые в качестве источников опорного напряжения, имеют пластмассовый корпус.

SMD стабилитроны, то есть миниатюрные компоненты, предназначенные для поверхностного монтажа, изготавливаются в основном в стеклянных и пластиковых корпусах. Такие элементы могут выпускаться с двумя и тремя выводами. В последнем случае третий вывод является «пустышкой», никакой смысловой нагрузки не несет и предназначается только для надежной фиксации детали на печатной плате.

Принцип действия

Стабилитрон был открыт американским физиком Кларенсом Мелвином Зенером, именем которого его и назвали. Электрический пробой p-n перехода может быть обусловлен туннельным пробоем (в этом случае пробой носит название Зенеровского), лавинным пробоем, пробоем в результате тепловой неустойчивости, который наступает из-за разрушительного саморазогрева токами утечки.

И инженеры конструируют эти элементы таким образом, чтобы возникновение туннельного и/или лавинного пробоя произошло задолго до того, как в них возникнет вероятность теплового пробоя.

Величина напряжения пробоя зависит от концентрации примесей и способа легирования p-n-перехода. Чем больше концентрация примесей и чем выше их градиент в переходе, тем ниже обратное напряжение, при котором образуется пробой.

• Туннельный (зенеровский) пробой появляется в полупроводнике в тех случаях, когда напряженность электрического поля в p-n зоне равна 10⁶ В/см. Такая высокая напряженность может возникнуть только в высоколегированных диодах. При напряжениях пробоя, находящихся в диапазоне 4,5…6,7 В, сосуществуют туннельный и лавинный эффекты, а вот при напряжении пробоя менее 4,5 В остается только туннельный эффект.
• В стабилитронах с небольшими уровнями легирования или меньшими градиентами легирующих добавок присутствует только лавинный механизм пробоя, который появляется при напряжении пробоя примерно 4,5 В. А при напряжении выше 7,2 В остается только лавинный эффект, а туннельный полностью исчезает.

Как было сказано ранее, при прямом подключении стабилитрон при прямом включении ведет себя так же, как и обычный диод, – он пропускает ток. Различия между ними возникают при обратном подключении.

Обычный диод при обратном подключении запирает ток, а стабилитрон при достижении обратным напряжением величины, которая называется напряжением стабилизации, начинает пропускать ток в обратном направлении. Это объясняется тем, что при подаче на стабилитрон напряжения, которое превышает U ном. устройства, в полупроводнике возникает процесс, называемый пробоем. Пробой может быть туннельным, лавинным, тепловым. В результате пробоя ток, протекающий через стабилитрон, возрастает до максимального значения, ограниченного резистором. После достижения напряжения пробоя ток остается примерно постоянным в широком диапазоне обратных напряжений. Точка, в которой напряжение запускает ток, может очень точно устанавливаться в процессе производства легированием. Поэтому каждому элементу присваивают определенное напряжение пробоя (стабилизации).

Стабилитрон используется только в режиме «обратного смещения», то есть его анод подключается к «-» источника питания. Способность стабилитрона запускать обратный ток при достижении напряжения пробоя применяется для регулирования и стабилизации напряжения при изменении напряжения питания или подключенной нагрузки. Использование стабилитрона позволяет обеспечить постоянное выходное напряжение для подключенного потребителя при перепадах напряжения ИП или меняющемся токе потребителя.

Вольт-амперная характеристика

ВАХ стабилитрона, как и обычного диода, имеет две ветви – прямую и обратную. Прямая ветвь является рабочим режимом для традиционного диода, а обратная характеризует работу стабилитрона. Стабилитрон называют опорным диодом, а источник напряжения, в схеме которого есть стабилитрон, называют опорным.

На рабочей обратной ветви опорного диода выделяют три основные значения обратного тока:

• Минимальное. При силе тока, которая меньше минимального значения, стабилитрон остается закрытым.
• Оптимальное. При изменении тока в широких пределах между точками 1 и 3 значение напряжения меняется несущественно.
• Максимальное. При подаче тока выше максимальной величины опорный диод перегреется и выйдет из строя. Максимальное значение тока ограничивается максимально допустимой рассеиваемой мощностью, которая очень зависит от внешних температурных условий.

Области применения

Основная область применения этих элементов – стабилизация постоянного напряжения в маломощных ИП или в отдельных узлах, мощность которых не более десятков ватт. С помощью опорных диодов обеспечивают нормальный рабочий режим транзисторов, микросхем, микроконтроллеров.

В стабилизаторах простой конструкции стабилитрон является одновременно источником опорного напряжения и регулятором. В более сложных конструкциях стабилитрон служит только источником опорного напряжения, а для силового регулирования применяется внешний силовой транзистор.

Термокомпенсированные стабилитроны и детали со скрытой структурой востребованы в качестве дискретных и интегральных источников опорного напряжения. Для защиты электрической аппаратуры от перенапряжений разработаны импульсные лавинные стабилитроны. Для защиты входов электрических приборов и затворов полевых транзисторов в схему устанавливают рядовые маломощные стабилитроны. Полевые транзисторы с изолированным затвором (МДП) изготавливаются с одним кристаллом, на котором расположены: защитный стабилитрон и силовой транзистор.

Основные характеристики

В паспорте стабилизирующего диода указывают следующие параметры:

• Номинальное напряжение стабилизации Uст. Этот параметр выбирает производитель устройства.
• Диапазон рабочих токов. Минимальный ток – величина тока, при которой начинается процесс стабилизации. Максимальный ток – значение, выше которого устройство разрушается.
• Максимальная мощность рассеивания. В маломощных элементах это паспортная величина. В паспортах мощных стабилитронов для расчета условий охлаждения производитель указывает: максимально допустимую температуру полупроводника и коэффициент теплового сопротивления корпуса.

Помимо параметров, указываемых в паспорте, стабилитроны характеризуются и другими величинами, среди которых:

• Дифференциальное сопротивление. Это свойство определяет нестабильность устройства по напряжению питания и по току нагрузки. Первый недостаток устраняется запитыванием стабилизирующего диода от источника постоянного тока, а второй – включением между стабилитроном и нагрузкой буферного усилителя постоянного тока с эмиттерным повторителем.
• Температурный коэффициент напряжения. В соответствии со стандартом эта величина равна отношению относительного изменения напряжения стабилизации к абсолютному изменению наружной температуры. В нетермостабилизированных стабилитронах при нагреве от +25°C до +125°C напряжение стабилизации сдвигается на 5-10% от первоначального значения.
• Дрейф и шум. Эти характеристики для обычных стабилитронов не определяются. Для прецизионных устройств они являются очень важными свойствами. В обычных (непрецизионных) стабилитронах шум создают: большое количество посторонних примесей и дефекты кристаллической решетки в области p-n перехода. Способы снижения шума (если в этом есть необходимость): защитная пассивация оксидом или стеклом (примеси направляются вглубь кристалла) или перемещением вглубь кристалла самого p-n-перехода. Второй способ является более радикальным. Он востребован в диодах с низким уровнем шума со скрытой структурой.

Способы включения – последовательное и параллельное

На детали импортного производства в сопроводительных документах ситуации, при которых возможно последовательное или параллельное соединение, не регламентируются. В документации на отечественные опорные диоды можно встретить два указания:

• В приборах маленькой и средней мощности можно последовательно или параллельно подсоединять любое количество односерийных стабилитронов.
• В приборах средней и значительной мощности можно последовательно соединять любое число стабилизирующих диодов единой серии. При параллельном соединении необходимо произвести расчеты. Общая мощность рассеивания всех параллельно подсоединенных стабилитронов не должна быть выше аналогичного показателя одной детали.

Допускается последовательное подключение опорных диодов разных серий в том случае, если рабочие токи созданной цепи не превышают паспортные токи стабилизации для каждой серии, установленной в схеме.

На практике для умножения напряжения стабилизации чаще всего применяют последовательное соединение двух-трех стабилитронов. К этой мере прибегают в том случае, если не удалось достать деталь на нужное напряжение или необходимо создать высоковольтный стабилитрон. При последовательном соединении напряжение отдельных элементов суммируется. В основном этот вид соединения используется при сборке высоковольтных стабилизаторов.

Параллельное соединение деталей служит для того, чтобы повышать ток и мощность. Однако на практике этот вид соединения применяется редко, поскольку различные экземпляры опорных диодов даже одного типа не имеют совершенно одинаковых напряжений стабилизации. Поэтому при параллельном соединении разряд возникнет только в детали с наименьшим напряжением стабилизации, а в остальных пробой не произойдет. Если пробой и возникает, то одни стабилитроны в такой цепи будут работать с недогрузкой, а другие с перегрузкой.

Для стабилизации переменного напряжения стабилитроны соединяются последовательно и встречно. В первый полупериод синусоиды переменного тока один элемент работает как обычный диод, а второй выполняет функции стабилитрона. Во втором полупериоде элементы меняются функциями. Форма выходного напряжения отличается от входного. Ее конфигурация напоминает трапецию. Это связано с тем, что напряжение, превышающее напряжение стабилизации, будет отсекаться и верхушки синусоиды будут срезаны. Последовательное и встречное соединение стабилитронов может применяться в термостабилизированном стабилитроне.

Составные стабилитроны

Составной стабилитрон – устройство, применяемой в ситуациях, когда необходимы токи и мощность большего значения, чем это допускают технические условия. В этом случае между стабилизирующим диодом и нагрузкой подсоединяют буферный усилитель постоянного тока. В схеме коллекторный переход транзистора включен параллельно стабилизирующему диоду, а эммиттерный переход – последовательно.

Схема обычного составного стабилитрона не предназначена для применения на прямом токе. Но добавление диодного моста превращает составной стабилитрон в систему двойного действия, которая может работать и при прямом, и при обратном токе. Такие стабилитроны еще называют двойными или двуханодными. Стабилитроны, которые могут работать с напряжением только одной полярности, называют несимметричными. А составные стабилитроны, дееспособные при любом направлении тока, называют симметричными.

Виды стабилитронов

На современном рынке электроники имеется широкий ассортимент стабилитронов, адаптированных к определенным условиям применения.

Прецизионные

Эти устройства обеспечивают высокую стабильность напряжения на выходе. К ним предъявляются дополнительные требования к временной нестабильности напряжения и температурного коэффициента напряжения. К прецизионным относятся устройства:

• Термокомпенсированные. В схему термокомпенсированного стабилитрона входят последовательно соединенные: стабилитрон номинальным напряжением 5,6 В (с плюсовым значением температурного коэффициента) и прямоосвещенный диод (с минусовым коэффициентом). При последовательном соединении этих элементов происходит взаимная компенсация температурных коэффициентов. Вместо диода в схеме может использоваться второй стабилитрон, включаемый последовательно и встречно.
• Со скрытой структурой. Ток пробоя в обычном стабилитроне сосредотачивается в приповерхностном кремниевом слое, где находится максимальное количество посторонних примесей и дефектов кристаллической решетки. Эти несовершенства конструкции провоцируют шум и нестабильную работу. В деталях со скрытой структурой ток пробоя «загоняют» внутрь кристалла путем формирования глубокого островка p-типа проводимости.   

Быстродействующие

Для них характерны: низкое значение барьерной емкости, всего десятки пикофарад, и краткий период переходного процесса (наносекунды). Такие особенности позволяют опорному диоду ограничивать и стабилизировать кратковременные импульсы напряжения.

Стабилизирующие диоды могут быть рассчитаны на напряжение стабилизации от нескольких вольт до нескольких сотен вольт. Высоковольтные стабилитроны устанавливаются на специальные охладители, способные обеспечить нужный теплообмен и уберечь элемент от перегрева и последующего разрушения.

Регулируемые стабилитроны

При изготовлении стабилизированных блоков питания необходимый стабилитрон может отсутствовать. В этом случае собирают схему регулируемого стабилитрона.

Нужное напряжение стабилизирующего диода подбирают при помощи резистора R1. Для настройки схемы на место резистора R1 подключают переменный резистор номиналом 10 кОм. После получения нужного значения напряжения определяют полученное сопротивление и устанавливают на постоянное место резистор нужного номинала. Для этой схемы можно применить транзисторы КТ342А, КТ3102А.

Способы маркировки

На корпусе детали имеется буквенная или буквенно-цифровая маркировка, которая характеризует электрические свойства и назначение устройства. Различают два типа маркировки. Детали в стеклянном корпусе маркируются привычным образом. На поверхности элемента пишут напряжение стабилизации с использованием буквы V, которая выполняет функцию десятичной запятой. Маркировка из четырех цифр и буквы в конце менее понятна. Расшифровать ее можно только с помощью даташита.

Еще один способ обозначения стабилизирующих диодов – цветовая маркировка. Часто применяется японский вариант, который представляет собой два или три цветных кольца. При наличии двух колец, каждое из них обозначает определенную цифру. Если второе кольцо нанесено в удвоенном варианте, то это означает, что между первой и второй цифрой надо поставить запятую.

Как отличить стабилитрон от обычного диода

Оба эти элемента имеют схожее обозначение на схеме. На практике отличить стабилитрон от обычного диода  и даже узнать его номинал, если оно не более 35 В, можно с помощью приставки к мультиметру.

Для выполнения генератора с широтно-импульсной модуляцией используется специализированная микросхема MC34063. Чтобы обеспечить гальваническую развязку между ИП и измерительной частью схемы напряжение контролируют на первичной обмотке трансформатора. Это позволяет сделать выпрямитель на VD2. Точка стабилизации выходного напряжения устанавливается с помощью резистора R3. Напряжение на конденсаторе С4 – примерно 40 В. Стабилизатор тока А2 и проверяемый опорный диод составляют параметрический стабилизатор, а мультиметр, подключенный к выводам схемы, позволяет определить напряжение стабилитрона.

Если диод подключить в обратной полярности (анод к «-», а катод к «+»), то мультиметр для обычного диода покажет 40 В, а для стабилитрона – напряжение стабилизации.

Для определения работоспособности стабилитрона с известным номиналом используют простую схему, состоящую из источника питания и токоограничительного резистора на 300…500 Ом. В этом случае с помощью мультиметра определяют не сопротивление перехода, а напряжение. Включают элементы, как показано на схеме, и меряют напряжение на стабилитроне.

Медленно поднимают напряжение блока питания. На значении напряжения стабилизации напряжение на стабилитроне должно прекратить свой рост. Если это произошло, значит, элемент исправен. Если при последующем увеличении напряжения ИП диод не начинает стабилизировать, значит, он не исправен.

Как правильно подобрать стабилитрон?

Стабилитроны относятся к стабилизаторам небольшой мощности. Поэтому их необходимо подбирать так, чтобы через них без перегрева мог проходить весь ток нагрузки плюс минимальный ток стабилизации.

Для правильного выбора стабилитрона для электрической схемы необходимо знать следующие параметры: минимальное и максимальное входное напряжение, напряжение на выходе, минимальный и максимальный ток нагрузки. Напряжение стабилизации стабилитрона равно выходному напряжению. А рассчитать максимальный ток, который может пройти через стабилитрон в конкретной схеме, и мощность рассеивания при максимальном токе, лучше всего с помощью онлайн-калькулятора. 

Содержание драгоценных металлов в стабилитронах

В стабилитронах, как и в других полупроводниках – обычных диодах, тиристорах, варикапах, из драгоценных металлов содержится, в основном, серебро, в некоторых – золото. Конкретное количество указывается в специальных таблицах. Содержание палладия и платины, даже если они и присутствуют в полупроводниках, обычно не указывается, поскольку их концентрация ничтожно мала.